教学案例库建设

邱联奎　黄景涛　丁喆　徐迎曦　梁云朋

摘 要：该文以风力发电机的偏航控制为案例对象，详细讨论了教学案例设计中的几个侧重点，从原理、结构、特点和应用角度进行了分析和讨论，目的在于加强理论知识和工程实践之间的联系，加强学生们的工程实践能力，取得良好的教学效果。

关键词：偏航控制 教学案例 风力发电机

中图分类号：F426.61 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）01（c）-0126-02

偏航系统是风力发电机系统的重要组成部分之一，其目的有二，一是控制风机对风的朝向，以捕获最大的风能，以发出尽可能多的电能；二是当机舱至塔底引出电缆到达设定的扭缆角度后自动解缆。偏航系统的主要组成部分包括偏航驱动系统、偏航制动系统、偏航控制系统及必要的保护系统。该系统所要实现的主要功能有风机迎风的自动控制、在大风情况时的安全控制、扭缆限制和自动解缆控制。

在《新能源发电技术》案例教学过程中，以风力发电模块为例，将其分为变桨、偏航、控制、安全保护等子系统，而后从某个子系统的原理、结构、特点和应用等方面入手，详细讨论该系统的各个细节，给学生留下深刻的直观印象，使学生们很好地掌握该系统的具体设计思想和控制理念，激发创新和创造的灵感，为今后工作和学习打下坚实的基础。

1 偏航驱动系统的机械结构

主要构成部件有偏航轴承、偏航制动器、偏航电机、偏航驱动器、偏航润滑泵、偏航计数器与位置传感器、电子刹车。

机舱是通过偏航轴承来与塔筒连接的，偏航轴承承载了整个机舱的机械载荷，轴承的外圈为一齿轮结构与塔筒连接，内圈与主机架连接。这样整个机舱就相当于安装在一个以塔筒为基础的回转轴承上。

减速齿轮箱是一台大减速比的两级行星齿轮减速齿轮箱。借助它的大减速比将驱动电机的高转速减到一个合适速度来驱动风机的偏航动作，同时也提供了更大的驱动转矩，其结构见图1。

某风机采用了4台这样的减速齿轮箱来共同驱动风机的偏航，提供了整个偏航的动力。采用额定转速940r/min，额定功率3kW的交流电动机作为驱动动力，根据计算采用4台上述电动机并联驱动整个系统完成偏航控制（见图2）。

每台风机有10个偏航刹车片，通过液压系统实现对偏航刹车的控制，偏航系统未工作时刹车片全部抱闸，机舱不转动；机舱对风偏航时，所有刹车片半松开，设置足够的阻尼，保持机舱平稳偏航。而在自动解缆时，偏航刹车片全松开（见图3）。

2 偏航控制系统

偏航控制包括风向标控制的自动偏航、操作面板上由人工控制的手动偏航、顶部机舱人工控制偏航、远程控制的偏航。上述各种偏航控制的优先级由高到低依次为顶部机舱人工控制偏航、面板人工控制偏航、远程控制偏航、风向标控制的自動对风偏航。当存在高级别的偏航控制时，系统将对优先级较低的偏航控制不予响应，并应清除原有的较低级别偏航控制请求。

在下列情况下，不允许自动偏航：（1）产生偏航故障。（2）偏航解缆动作。包括：①风机处于维护模式；②30s平均风速<2.5m/s；③紧急停机过程；④发生风向故障；⑤发生液压故障。

风机正常运行时，大部分时间处于自动偏航状态，这个状态下，风机能够捕获尽可能多的风能，从发电机中产生出尽可能多的电能。逻辑是：自动偏航当风速在2.5～7m/s内，线性插值（15°～8°）门限。当30s平均偏航误差大于门限值，或者1s内平均值大于1.5倍门限值，或者5min内平均值大于0.5倍门限值，则开始偏航并持续计算更新偏航时间（30-sec-YawError/25°/min）。当上述偏航条件不满足时，最后计算的偏航时间为最终偏航时间。当偏航从偏航条件不满足开始计时，至少要偏航一半的最终偏航时间。等到偏航了一半的最终偏航时间后，判断1 sec yaw error。如果原来偏航是正向偏航，1 sec yaw error<1°，或者原来偏航是负向偏航，1 sec yaw error >-1°，则停止该次偏航。否则，直到最终偏航时间过去，停止该次偏航。在该次偏航未完成之前，不会进行新的偏航命令。

3 大风情况下的安全控制

在大风情况下，为保证风力发电机组的安全，宜采用90°侧风控制。在90°侧风控制时，应根据风向标传感器信号，确定机舱与主风向的相对位置，使机舱走最短路径，以最短时间偏离主风向。值得注意的是，并不是所有的风力发电机都采用了90°侧风控制的策略，在今后工作和学习中，应加以注意。

4 扭缆限制和自动解缆控制

其包括扭缆传感器控制的自动解缆和扭缆传感器控制的安全链保护。当扭缆程度达到设定的扭缆圈数时扭缆传感器将向控制系统发出解缆信号，系统将首先使机组正常关机随后通过偏航驱动装置，自动使电缆解绕。如果自动解缆因故未执行，那么当扭缆程度达到设定的上限值时，则应触发安全系统，使风力发电机故障关机。此关机为不可自动恢复的故障，必须等待人工排除故障后，再进行人工解缆操作。当执行解缆操作时，系统将自动屏蔽其他的所有偏航请求，包括顶部人工偏航、面板人工偏航、远程控制和自动偏航。为了对电缆做出更为可靠的保护，同时尽量降低解缆过程对风机发电量的影响，某型风力发电机采用了并行的两套传感器：传统的凸轮传感器和较为精确的角度数字传感器。

5 理论与实践相结合

在偏航子系统的学习过程中，通过理论讲解和分析，帮助学生们了解偏航子系统的工作原理、机械结构、工作特点，通过电气图讲解和讨论，理清了偏航子系统具体的实现方法和手段，为同学们将来的工作和学习打下了坚实的基础。

电气识图方面，以原有工程制图为基础，把EPLAN软件学习作为提高，了解EPALN软件的绘图过程，以具体的工程图纸为例，理解风力发电工程中各个功能的具体实现：（1）电气接线；（2）电气元件选型；（3）电气元件的工作原理；（4）偏航子系统的工作原理；（5）液压控制方面等相关知识，形成了从理论到具体实现的贯通式理解，具有原理清晰、实现方法明确的优点，极大地提高了学生学习的积极性和主动性。

6 结语

偏航案例化教学过程的探索和应用，拓宽了专业知识面，理论与实践联系更加紧密，加深了学生对相关专业知识的掌握程度，提高学习积极性和教学质量，值得在类似课程的教学过程中加以推广和应用。

参考文献

[1] 霍志红，郑源，左潞，等.风力发电机组控制技术[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

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2020-07-08